基于GUI的仿真平臺的設(shè)計說明

1、3基于GUI的信號與系統(tǒng)實驗仿真平臺的設(shè)計3. 1設(shè)計思想3.1.1設(shè)計步驟本課題設(shè)計的界面布局是先設(shè)計GUI總界面，然后設(shè)計子界面，再在子界面上設(shè) 置按鈕、坐標(biāo)軸、文本框等一系列控件，最后借助于callback函數(shù)調(diào)用程序。在函 數(shù)調(diào)用程序的設(shè)計中先編寫各個子界面中的回調(diào)函數(shù)下的程序，再編寫GUI界面的回 調(diào)函數(shù)下的程序。1. 用MATLAB的GUIDE提供的創(chuàng)建圖形界面工具設(shè)計整個實驗仿真界面的主界面，在 設(shè)計子界面；2. 在實驗子界面中添加各個控件對象，編寫控件按鈕回調(diào)函數(shù)，實現(xiàn)每個控件的控 制功能，直接通過界面上的控件實現(xiàn)對結(jié)果的分析；3. 最后編寫GUI總界面的回調(diào)函數(shù)程序，把所有的

2、子界面集合在總界面中，通過總 界面可以進入任意子界面中并可以進行操作；4. 退出實驗界面。設(shè)計流程如圖3-1：圖3-1設(shè)計流程圖3.1.2實驗系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計信號與系統(tǒng)實驗繁多、復(fù)雜、許多實驗還需要輸入?yún)?shù)，若將系統(tǒng)設(shè)計成一個界 面，使得系統(tǒng)繁重、擁擠、不能夠?qū)崿F(xiàn)友好，美化的界面的設(shè)計要求。因此，在設(shè)計 界面的時候，采用一個主界面和若干個子界面，每個子界面是一個模塊，實現(xiàn)一個實 驗或功能，并且可以通過主界面調(diào)用子界面的設(shè)計方法。本實驗系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計由兩部分組成：界面模塊設(shè)計和菜單模塊設(shè)計。其中界 面模塊中包含六大實驗?zāi)K：主界面模塊、基本信號的產(chǎn)生實驗?zāi)K、信號的基本運 算實驗?zāi)K、卷積實驗

3、模塊、傅里葉變換實驗?zāi)K、連續(xù)零狀態(tài)響應(yīng)實驗?zāi)K、低通 濾波器實驗?zāi)K。如傅里葉變換實驗?zāi)K又包含方波傅里葉實驗界面、離散傅里葉實 驗界面、快速傅里葉實驗界面。在菜單設(shè)計時，在實驗子界面中除了使用系統(tǒng)約定的 菜單條外，還增加了幾個控制背景和退出實驗的菜單。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖3-2所示:圖3-2實驗系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)3.2基于GUI的系統(tǒng)總界面的設(shè)計3. 2. 1設(shè)計步驟在GUIDE的編輯界面中，在空白處雙擊或者單機右鍵選擇property inspector, 出現(xiàn)屬性設(shè)置對話框，可以對GUI的屬性風(fēng)格進行個性化。Color選項可以改變背景 顏色，選擇自己喜歡的顏色，本課題是插入圖片。Positi

4、on選項可以對界面窗口的 大小進行調(diào)整，窗口的大小可以通過設(shè)置width和height進行調(diào)整，也可以用鼠標(biāo) 拖拽窗口，用鼠標(biāo)拖拽窗口設(shè)置比較方便、快捷，也更容易設(shè)置適合于實驗設(shè)計容的 大小GUI界面。下面詳細介紹主界面的設(shè)計過程：點擊運行MATLAB軟件后，在軟件界面中直接點擊GUIDE工具呼，選擇Create New GUI中的Blank GUI (Defarlt)點擊OK,在彈岀的新建窗口中拖入7個靜態(tài)文本 框(Statec Text)和7個按鈕(Push Button)如圖34所示。設(shè)置靜態(tài)文本的String 為基于GUI的信號與系統(tǒng)仿真實驗平臺的設(shè)計” Background Colo

5、r為淺紅色， FontSize為28. 0, Foreground Color位黑色。依次設(shè)置另外六個靜態(tài)文本框String 為“實驗一基本信號的產(chǎn)生”、實驗二信號的基本運算”、“實驗三卷積”、實驗四傅 里葉變換”、“實驗五連續(xù)系統(tǒng)零狀態(tài)響應(yīng)”、“實驗六低通濾波器”這幾個實驗的 Fonsize為22.0,另外的六個按鈕依次設(shè)計的Fonsize為16.0。點擊每個實驗后的 按鈕編寫回調(diào)函數(shù)進入相應(yīng)的實驗子界面中，也可參考圖3-3流程：圖3-3主界面流程圖在其相應(yīng)的位置編寫主界面進入子界面的程序如下：function pushbuttonl Callback(hObject, eventdata,

6、 handies)set(O, CurrentFigure*, jbxhdcs)進入實驗一基本信號的產(chǎn)生”實驗中可實現(xiàn)信號 的產(chǎn)生。還可在主界面中插入一些背景圖片，使主界面看起來更加的美觀，如添加學(xué)校 LOGO、風(fēng)景圖片等來美化實驗主界面。插入背景圖片相應(yīng)的需要編寫回調(diào)函數(shù)，點擊 主界面背景函數(shù)Callback中的CreateFcn進入相應(yīng)的程序編寫位置，編寫的背景插 入圖片的程序參考附錄，點擊主界面中的運行按鈕如圖3-5所示是設(shè)計完成后的實驗 系統(tǒng)主界面。3.2.2主界面仿真平臺設(shè)計在設(shè)計的主界面平臺添加相應(yīng)的按鈕、文本框、設(shè)置字體的大小和字體背景的顏 色，編寫回調(diào)函數(shù)和界面背景圖片插入。如

7、圖3-4所示：基于GUI的信號與系統(tǒng)仿真實驗平臺的設(shè)計圖3-4主界面3. 2. 3仿真結(jié)果分析點擊運行按鈕I 4后的主界面仿真結(jié)果如圖3-5所示，可以點擊任意一個實驗按 鈕進入相應(yīng)的子界面實驗中，實驗仿真結(jié)果結(jié)束后，可點擊退出按鈕結(jié)束本次實驗。圖3-5運行后的主界面3.3基于GUI的系統(tǒng)子界面的設(shè)計3.3.1設(shè)計步驟子界面的設(shè)計和主界面的設(shè)計有些相似，主要由每個控件的屬性，并加入相應(yīng)的 回調(diào)函數(shù)callback程序?qū)崿F(xiàn)其相應(yīng)的功能。如圖3-7所示以“基本信號的產(chǎn)生”子 界面為例，點擊Menu Editor中的New Menu會出現(xiàn)Lntitledl,在其上點擊出現(xiàn)Menu Properties

8、,修改其中的Label選項，命名為基本信號的產(chǎn)生”。點擊Axes按鈕，在GUIDE界面空白處適當(dāng)位置點擊，會出現(xiàn)一個坐標(biāo)軸圖標(biāo)， 用鼠標(biāo)拖拽到想要的大小。在此圖標(biāo)上點擊右鍵，在View Callback選項中選擇 buttondownfen,編寫回調(diào)函數(shù)。選擇Static text按鈕，在空白處點擊左鍵，把出現(xiàn) 在窗口中的Static文本拖拽到適當(dāng)大小，單擊右鍵或雙擊左鍵，設(shè)置背景顏色 MBackground color字體顏色Foreground color”,字體大小Font size；選 擇Edit text按鈕，在空白處適當(dāng)位置處點擊，把出現(xiàn)的文本框拖拽到適當(dāng)大小，雙 擊左鍵，設(shè)置“S

9、tring”為”等的屬性。本課題設(shè)計的字體大小一般設(shè)置為15, 有的會適當(dāng)調(diào)整?！巴顺觥钡脑O(shè)置：在Push button5上雙擊左鍵將String”選項容 改為“退出”，在這個按鈕的回調(diào)函數(shù)view Callback中的Callback選項下寫入Close jbxhdcs”就可實現(xiàn)子界面的關(guān)閉?？蓞⒖剂鞒虉D3-6：圖3-7基本信號的產(chǎn)生界面(1) 正弦信號正弦信號的大小與方向都是隨時間作周期性變化的，信號在任一時刻的值，稱為 瞬時值。其公式如下，一般寫做：y = Asin(曲+ &)(3-1)式中A為振幅，少為角頻率，0為初相位。正弦信號是周期信號，其周期丁與角頻率 /滿足下列關(guān)系式：T =

10、Mf(3-2)(2) 指數(shù)信號指數(shù)信號一般分為實指數(shù)信號與復(fù)指數(shù)信號，指數(shù)信號的表達式為：g = kP(3-3)在式中，是實數(shù)。若。0,信號將隨著時間而增長；若“)CD2(3-8)兩邊乘以7；, 得到 F(ncoi) =(3-9)對于非周期信號，重復(fù)周期重復(fù)頻率TO,譜線間隔厶)T/y,而離 散頻率變成連續(xù)頻率。在這種極限情況下F(/)-0,但量2托巳如 可不趨 于零，而是趨近于有限值，且變成一個連續(xù)函數(shù)，常記作FQ),這樣式(3-8)在非周 期信號的況下將變成(3-10)同樣，傅里葉級數(shù) (3-11)在極限的情況下，傅里葉級數(shù)變成積分形式，它等于/(/) = -j F(co)e!，tdco(

11、3-12)式(3-10)稱為傅里葉正變換，式(3-12)稱為傅里葉逆變換。(1)方波傅里葉變換傅里葉變換是數(shù)字信號處理中的一種很重要的算法，要知道傅里葉變換算法的意義，首先我們要了解到傅里葉原理的意義。傅里葉原理的表明：任何連續(xù)的時序或著信號，都是可以表示為不同頻率正弦波信號的無線疊加。而根據(jù)該原理創(chuàng)立的傅里葉 變換算法，利用直接測量到原始信號，以累加方式來計算該信號中的不同正弦波信號 的頻率、振幅和相位。在方波傅立葉相應(yīng)的位置輸入方波幅度為3。運行后的波形如圖3T1所示:圖3-11方波傅里葉圖像圖3-12快速傅里葉變換（2）快速傅里葉變換的參考程序見附錄，在快速傅里葉處輸入幅度為2,顯示的波

12、 形如圖3-12所示。（3）離散傅里葉變換對于非周期的信號，我們需要用許多不同頻率的正弦曲線來表示，這對于計算機 來說是不可能實現(xiàn)的。所以對于離散信號的變換也只有離散傅里葉變換才能被試用， 對于計算機來說只有離散的與有限長度的數(shù)據(jù)才能被處理，對于其它的變換類型只有 在數(shù)學(xué)演算中才能用到，在計算機面前我們只能用DFT方法，后面我們要理解的也正 是DFT方法。這里要理解的是我們使用周期性的信號目的是為了能夠用數(shù)學(xué)方法來解 決問題，至于考慮周期性信號是從哪里得到或怎樣得到是無意義的。點擊離散傅里葉 變換按鈕，運行后的波形如圖3T3所示：圖3-13離散傅里葉變換5實驗五：連續(xù)系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)LTI連續(xù)

13、時間系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)可通過求解初始狀態(tài)為零的常系數(shù)微分方程得到。在MATLAB中控制系統(tǒng)工具箱中提供了 一個用于求解零初始條件微分方程數(shù)值解 的函數(shù)lsim 其調(diào)用方式為：y = lsim(sys,fj)式中，表示LTI系統(tǒng)模型，用來表 示微分方程、差分方程、狀態(tài)方程，f表示計算系統(tǒng)響應(yīng)的抽樣點向量，/是系統(tǒng)輸 入信號向量。在求解微分方程時，微分方程的LTI系統(tǒng)模型借助于礦函數(shù)獲得， 其調(diào)用方式為：sys = tf(b,a)式中，b和分別為微分方程右端和左端各項的系數(shù)向量。運行后的零狀態(tài)響應(yīng)波形顯示結(jié)果如圖3-14所示:圖3-14連續(xù)零狀態(tài)響應(yīng)圖3-15低通濾波器6實驗六：低通濾波器濾波器是數(shù)

14、字信號處理的重要基礎(chǔ)，是使用最為廣泛的一種線性系統(tǒng)。這里主要介紹的是低通濾波器，其在GUI界面中實現(xiàn)仿真波形，低通濾波器是一個通過低頻信 號而衰減或擬制髙頻信號的部件。濾波器的幅頻特性越好，其相頻特性就越差，反之 亦然。在界面中輸入頻率12,顯示的波形如圖3-15所示。3. 3. 3仿真結(jié)果分析下面具體分析幾個實驗的波形，以“實驗一基本信號的產(chǎn)生和“實驗三卷積 實驗?zāi)K為主，我們選擇幾個函數(shù)為例。1實驗一：基本信號的產(chǎn)生仿真分析(1)指數(shù)信號。在上面章節(jié)中我們介紹過了指數(shù)函數(shù)的公式，根據(jù)公式我們可以輕 松的得到它的波形。在本系統(tǒng)的主界面中點擊“實驗一基本信號的產(chǎn)生”按鈕進入實 驗子界面。在指數(shù)

15、信號那欄中輸入幅度和相位3, 2出現(xiàn)如圖3-16所示的波形:圖 3-17 /(O = sin(r)的波形x W8 A*exp(a*t)10051015i圖3-16指數(shù)信號分析根據(jù)公式ft) = keal可以知道波形顯示正確。(2)正弦信號正弦信號一般寫做：y = Asin(m + &)(3-13)式中A為振幅，e為角頻率，0為初相位。正弦信號是周期信號，其周期T與角頻率少和頻率0滿足下列關(guān)系式：T = = -(3-14)力f在初中高中我們就學(xué)習(xí)了正弦信號了，可以根據(jù)函數(shù)來輕易的畫出波形。在式中取 R = 1,。= 1, & = 0的時式就可寫成：/(r) = sin(r)(3-15)這是最簡單

16、的正弦函數(shù)，它的波形如圖3-17所示。在本系統(tǒng)基本信號的產(chǎn)生模塊中，正弦信號的輸入?yún)?shù)1 1 0的波形如圖3-18所示:2w2P2A*sinCW*t+p)A1W1P圖 3T8 f(t) = l*sin(l*r+ 0)圖3-19正弦函數(shù)可以看出和圖3-17是同一個函數(shù)波形，即波形準(zhǔn)確。此時的正弦信號函數(shù)為：) = 2 sin + 2)我們也可以改變參數(shù)看波形能否正確的相應(yīng)變化，在正弦信號編輯框中分別輸入幅 度，角度相位為2, 2, 2即如圖3-19所示。(3-很輕易的可以看出圖3-18和3-19的區(qū)別，后者的頻率和振幅均變大了兩倍且向左移 了兩個單元。正弦信號的波形可以正確的根據(jù)參數(shù)的變化而變化

17、。2實驗三卷積實驗仿真分析卷積方法的原理是將信號分解為沖激信號之和，借助系統(tǒng)的沖激響應(yīng)h(t),求 解系統(tǒng)對任意激勵信號的零響應(yīng)，在設(shè)計是我們改變卷積幅度看波形的變換情況。在 卷積子界面中輸入卷積幅度3,出現(xiàn)如圖3-20所示波形：圖3-20卷積幅度為3時的川/嚴(yán)厶圖3-21卷積幅度為6時的在界面里可知函數(shù)/；(/)和函數(shù)(/)的表達式，卷積定義/) =匸/)厶必可 知結(jié)果正確。如果將參數(shù)改變時看波形能否正確的相應(yīng)變化，在卷積子界面中把卷積4總結(jié)和展望4. 1研究工作總結(jié)本課題的設(shè)計主要以信號與系統(tǒng)課程實驗為基礎(chǔ)，與MATLAB圖形用戶界面相結(jié) 合，設(shè)計出了美觀的GUI平臺界面。學(xué)習(xí)者可以在圖書

18、管、網(wǎng)上(MATLAB論壇知網(wǎng)) 查找相關(guān)資料進行學(xué)習(xí)。系統(tǒng)可以任意的調(diào)試參數(shù)，達到自己想要的波形顯示結(jié)果。 信號與系統(tǒng)課程容涉及圍廣，系統(tǒng)并沒有把所有的容設(shè)計進系統(tǒng)，設(shè)計過程結(jié)合了理 論教學(xué)中的容，利用圖形用戶界面(GUI)實現(xiàn)實驗仿真結(jié)果的可視化及界面的美觀和 主界面與子界面的。展示了 MATLAB圖形用戶界面人機交互式用戶界面及其參數(shù)的可 調(diào)性，使得信號與系統(tǒng)實驗的分析過程變得易于控制，直觀可視化。4.2展望通過本課題的研究和設(shè)計工作，深刻的體會到GUI界面應(yīng)用的強大，它不僅使實 驗界面看起來更加的美觀、可視化和人機操作快捷可靠，而且圖形用戶界面可以設(shè)計 出容豐富、界面直觀的實驗仿真界面

19、。本課題的設(shè)計對于初學(xué)者的學(xué)習(xí)使用較有幫助, 可以提供一些設(shè)計的思路與參考，對于二次開發(fā)有一定的空間基礎(chǔ)。課題僅包含信號與系統(tǒng)還有數(shù)字信號處理中的一些實驗容，只是用了一 些基本的實驗為例。此次的用戶界面設(shè)計雖然簡單，但界面圖片的插入使得界面的整 體效果較好，控件的布局和主界面與次界面的兼容都需要深入的研究和探討。系統(tǒng)還 需要后續(xù)的完善使得界面更加的美觀和易用，本課題的實驗界面雖然用來仿真實驗， 然而怎樣才能更優(yōu)化仿真實驗系統(tǒng)，仍然是今后需要研究的一個方向GUI界面不僅 用在實驗教學(xué)課程中，也同時應(yīng)用在科研方面。所以它的應(yīng)用前景非常的廣泛，這也 促使著我們進一步的開發(fā)出更美觀、實用、直觀的用戶界

20、面。參考文獻1 杜世民，潤萍.基于Matlab GUI的”信號與系統(tǒng)”教學(xué)仿真平臺開發(fā)J.實驗技術(shù)與 理,2012,29(3)88-90.2 黎玉玲，廷華基于MATLAB的通信系統(tǒng)仿真平臺設(shè)計J.計算機應(yīng)用究,2006,23 (10)248-250.3 徐艷惠.MATLAB在信號與系統(tǒng)”分析中的應(yīng)用J.電氣電子教學(xué)學(xué)報,2007,29(1):100-102.4 吳大正.信號與線性系統(tǒng)分析M. 4版.：高等教育.2005.5 華芳晶體和準(zhǔn)晶的旋聲性質(zhì)的旋轉(zhuǎn)不變性D.：工業(yè)大學(xué),2007.6 王潔麗，賈素梅，薛芳.Mat la b軟件在信號與系統(tǒng)輔助教學(xué)中的應(yīng)用J.現(xiàn)代電子技術(shù),2007,30(6

21、)：132-125.7 峰段紅，熊慶旭等信號與系統(tǒng)實驗教學(xué)改革J實驗技術(shù)與管理,2008,25(3):118-120.8 Mike Foley, Anjan Bose. An Object Based Graphical User Interface for Power SystemsJ. IEEE Transactions on Power Systems,1993,8(1)：97-104.9 南洋，周靜，孟開元等.基于Matlab的GUI的界面設(shè)計J.石油儀器,2008(12):76-78.10 金波.信號與系統(tǒng)課程教學(xué)改革初探J.電氣電子教學(xué)學(xué)報,2007,29(4):7-8.11 奧本

22、海姆信號與系統(tǒng)(英文版)M.2版.：電子工業(yè),2009.12 Steven T. Karris. Signals and Systems with MATLAB Com-puting and Simulink Modeling 4th Edition M. Orchard Publications,200&13 歸少飛.基于Mat lab的信號與系統(tǒng)教學(xué)研究J.電腦與電信,2013,13(11):70-73.14 尤賽，馬國軍，黃煒嘉等信號與系統(tǒng)Matlab實驗仿真教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計J 現(xiàn)代電子技 術(shù),2010,33(18):57-59.15 建強，羅先香.MATLAB軟件工具箱簡介J.水科學(xué)進展,

23、2001,12(2):237-242.16 昱.基于LMD和SVM的動力機械故障診斷方法研究D.:大學(xué),2012.17 林霖，豐，志德基于Mat lab的信號與系統(tǒng)”課程演示軟件的應(yīng)用J.電氣電子教學(xué)學(xué)報, 2009,31(51):98-100.18 晏釗韜基于圖像的數(shù)字指紋技術(shù)D.：大學(xué),2010.致本次課題的設(shè)計完成，首先我要感我的導(dǎo)師，在她的辛苦指導(dǎo)下終于結(jié)束了，老 師給予我的指導(dǎo)和幫助。初次拿到論文題目的時候我對MATLAB這個軟件并不是很陌生，以前我們也學(xué)習(xí) 過MATLAB軟件，但都學(xué)了一些皮毛。對于這個軟件中的GUI界面應(yīng)用不精通，所以 上網(wǎng)查找了一些相關(guān)的資料，注冊了 MATLA

24、B中文論壇，買了一本羅華飛的MATLAB GUI 設(shè)計學(xué)習(xí)手記等。從一開始的盲目到思路的清晰，讓我感到學(xué)習(xí)的重要性。通過此次 畢業(yè)論文的設(shè)計發(fā)現(xiàn)自己的知識比較淺薄，本課題的設(shè)計不僅是對新的知識的學(xué)習(xí)及 考驗，而且也是對自身能力的一種提高。此次畢業(yè)設(shè)計讓我學(xué)到了許多的東西，感覺 也很充實，同時也感到自己以后需要學(xué)習(xí)的方面很多。這次的畢業(yè)設(shè)計讓我懂得學(xué)習(xí) 是一個長期積累的過程，不論是以后的工作，還是生活都應(yīng)該不斷地學(xué)習(xí)、提升自我、 努力提高自身的知識和綜合素質(zhì)。這次畢業(yè)設(shè)計使我受益匪淺，同時感我的同學(xué)和舍 友給予我的幫助，也感那些幫助我的朋友，使我在畢業(yè)設(shè)計的階段感到生活的愉悅和 輕松。最后在此感

25、所有參與論文評閱的老師，辛苦你們了！附錄部分程序：(1) 基本信號的產(chǎn)生 正弦信號axes (handles axesl)clcA=str2num(get(handles editlString*)；W=str2num(get(handles edit2,String*)； p=str2num(get(handles edit3,* String*)；tl=O：O. 001:10；ftl=A*sin(W*tl+p)；plot(tl,ftl,1r*),gridtitle(A*sin(W*t+p) 指數(shù)信號axes(handles axes2)clcA=str2num(get(handles ed

26、it4,String1)；a=str2num(get(handles edit5,String*)；t2=0：0. 001:10；ft2=A*exp(a*t2)；plot (t2,ft2,1c*),gridtitle(*A*exp(a*t) 單位脈沖信號axes(handles axes3)clctl=str2num(get(handles edit6,* String)；t=tl-l：0. 01：tl+1；n二length(t)；x=zeros(1,n)；x(l, (n-l)/2)=l；stairs (t,x)axis(str2num(get(handles edit6,1 String*)-1,str2rmm(get(handles edit6, *S tring)+l,0,1) 單位階躍信號axes(handles axes4)clct=str2num(get(handles edit?,* String)一2：0. 001：str2num(get(handles edit7, Stringf)+2；ft= (t-str2num(get(handles edit7,rStr